一种高效的高频超级电容器电极材料: 碳纤维框架表面定向生长石墨烯

高频超级电容器有望替代笨重的电解电容器,在电力系统电流纹波滤波等方面具有重要的应用。通常,超级电容器的电容量显著高于电解电容器,但是前者的频率响应通常低于1Hz,比电解电容器低几个数量级。因此开发kHz级频率响应的超级电容器成为近年来的研究热点之一。德克萨斯理工大学Zhaoyang Fan等人通过在碳纳米纤维(CNF)框架表面垂直生长三维定向的石墨烯(EDG),制备了一种高电导率、大表面积的电极材料。基于这种EOG/CNF材料电极的超级电容器显示出一系列高频特征:在水和有机电解质中,45°相角特征频率分别高达22和8.5 kHz;120HZ下电极电容密度分别为0.37 和 0.16 mF cm-2。进一步地,3V高频有机电解质电容单元显示出良好的交直流变换器滤波功能,表明这种新电极材料及相关高频电容器在紧凑型电源设计和其他应用方面的 巨大潜力。

文章引用信息

Nazifah Islam . Juliusz Warzywoda . Zhaoyang Fan,Edge-Oriented Graphene on Carbon Nanofiber for HighFrequency Supercapacitors. Nano-Micro Lett.(2018)10:9.https://doi.org/10.1007/s40820-017-0162-4此工作发表于Nano-Micro Letters期刊2018年第10卷第1期,详情请阅读全文,可免费下载。本文同步在期刊微信、微博、科学网博客、Facebook、Twitter等平台推出。以往推文请关注中文推广网站(http://nmsci.cn)。作者介绍Zhaoyang Fan是Texas Tech大学电气与计算机工程系教授,IEEE高级会员、APS和 MRS的成员,Whitacre Engineering Research Award的获得者, TTU System Chapter of National Academy of Inventors的高级会员。 目前主要从事薄膜、纳米光子学、光伏、能量转换和存储等方面的研究。

主页链接:http://myweb.ttu.edu/zfan/index.html

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图文导读

图 1 a)纯的CNF薄膜的SEM图像, EOG/CNF膜上EOG生长时间为 b) 5 min, c ) 7.5 min,  d ) 10 min的SEM图像

图 2  a ) CNF管状结构的TEM图像,b ) 管状CNF的高分辨透射电镜图像,c ) EOG鳞片簇的TEM图像,d ) 单个EOG弯曲片状形貌的TEM图像,e ) 多重石墨烯层的一个弯曲的EOG片状侧壁边缘的高分辨透射电镜图像

图 3  EOG / CNF电极在6 M KOH电解液中的性能研究。a)电流密度与扫描速率, b)奈奎斯特复阻抗谱, c)波特相位谱, d)单电极的比面积电容与频率, e ) 复电容的真正的成分,f ) 复电容的虚构成分

图 4  a ) EOG / CNF电极在1 M TEABF4的乙腈中的电流密度与CV扫描速率曲线,b ) 细胞的波特相位谱,c) 电极的面积比电容与电极频率的关系,d) 复杂的电容与频率的虚分量

图 5  基于EOG/CNF的高频电容器的工频交流滤波演示。a ) AC / DC转换电路图,b ) 输入交流电压为60赫兹,c ) 在没有电容器的情况下,全波整流输出,d ) EOG / CNF超级电容器作为滤波电容器的DC输出

 

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